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灰場壩體下壓煤開采安全技術分析

文檔作者：龐立新文檔來源： 1．平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 2．河南理工大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月09日
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第5期
2011年10月
礦 山 測 量
MINE SURVEYING
No．5
0ct．20l1
doi：10．3969／j．issn．1001—358X．2011．05．032
灰場壩體下壓煤開采安全技術分析
龐立新
(1．平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南平頂山467000；
2．河南理工大學，河南焦作454000)
摘要：文中以程寨溝灰場壓煤開采為實例，對灰場壩體下壓煤開采進行了安全技術分析。分析結果
認為儲灰場地表水體不會對工作面產(chǎn)生充水影響，灰壩下工作面開采對壩體及相關附屬水工建筑物
不會造成破壞性影響，未對壩體靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定造成嚴重影響，程寨溝灰場壩體下壓煤開采是
可行的?，F(xiàn)場監(jiān)測結果也表明，井下開采未對地表水工建筑物產(chǎn)生破壞性影響，壩體和水工建筑物
保持了正常安全運行，實現(xiàn)了灰場下壓煤安全開采，取得了顯著經(jīng)濟效益，同時也為今后類似條件堤
壩下采煤提供了依據(jù)。
關鍵詞：灰場；壩體；開采；水工建筑物；安全
中圖分類號：TD823．83 文獻標識碼：B 文章編號：1001—358X(2011)05—0085—04
程寨溝灰場位于平頂山市寶豐縣李莊鄉(xiāng)程寨溝
境內，為中電投姚孟發(fā)電公司粉煤灰排放場地，灰場
地處平煤股份一礦井田西北部三水平丁二下山采區(qū)
上方，壓井田丁、戊組煤約655萬噸，造成了一礦綜
采工作面不能正常布置，嚴重影響了礦井達產(chǎn)能力
和出煤量，對礦區(qū)社會環(huán)境和諧發(fā)展起到了一定的
負面作用。
近年來，由于平煤股份一礦持續(xù)高產(chǎn)，加上礦井
逐漸進入深部開采范圍受到高瓦斯及高地溫的影
響，以及地表建(構)筑物壓煤情況嚴重，致使礦井經(jīng)
常出現(xiàn)采掘接續(xù)緊張的局面，一定程度上制約了礦
井高產(chǎn)高效的實現(xiàn)和可持續(xù)發(fā)展。為緩解當前面臨
的緊張局面，一礦擬通過對灰場下采煤可行性論證
研究及工業(yè)性試驗，實現(xiàn)灰場下安全采煤。
1 概 況
1．1 程寨溝灰場介紹
程寨溝灰場東、南、西三面環(huán)山，在灰場北部筑
有大壩形成儲灰?guī)欤瑢儆谏焦刃臀驳V庫。電廠粉煤
灰則以濕排法用三條沖灰管道輸送至灰場，年入灰
量約1．46 X 10 m 。
灰場大壩主壩頂標高目前為+245 m，壩基標高
為+175 m，壩高70 m，壩頂寬度為6．75 m，大壩縱
向沿東西方向，主壩長約1 km。目前程寨溝灰場總
儲灰?guī)烊?．36 X 10 m ，已存儲灰渣約2．8×10 m ，
現(xiàn)儲灰場內灰面標高約為+236．5 m，庫內水面標高
約為+235 111，攔灰壩前固結干灘面長約390 m。程
寨溝灰場及大壩如圖1、圖2所示。
圖1 儲灰場
圖2 灰場壩體
灰場大壩初級壩為透水型堆石壩，采用上游式
尾礦筑壩方法，利用庫內粉煤灰碾壓筑壩進行各級
子壩加高工程，現(xiàn)已建成初期壩、一級子壩、二級子
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第5期 礦 山 測 量 2011年10月
壩和三級子壩。為提高壩體排滲水性能，降低壩體
浸潤線，各級子壩均增設縱、橫向排滲水系統(tǒng)。其中
初期壩采用兩級泄洪豎井和直徑2．5 m鋼筋砼泄洪
設施，泄洪洞下游出口采用挑流消能方式，采用窗口
式豎井排水，后期利用多級跌水式斜槽排水。一級
子壩工程設置了垂直集滲井，結構為鋼筋籠外包土
工布，內充填塊石。和水平排滲系統(tǒng)由堆石集滲褥
墊、縱向排滲鋼花管、橫向排滲鋼管組成。二級子壩
加高排滲系統(tǒng)包括輻射井、壩外水平排滲管、輻射
管、高精度導向導水鋼管。
程寨溝灰場控制流域面積5．8 km ，設計洪水頻
率1％(百年一遇)，洪峰流量242．0 m ／s，洪水總量
1．693×10。m’；校核洪水頻率0．2％(五百年一遇)，
洪峰流量316．0 m ／s，洪水總量2．32×10 m。。
1．2 灰場下壓煤開采地質條件
一礦目前主采丁組煤，煤層層位較穩(wěn)定，走向大
致為東西向，傾向北，形成單一的單斜構造，傾角8。
～ 21。。丁 煤層厚度0．3—1．85 n ，平均厚度1．0m，
在小范圍內與丁 煤層合層。丁 煤層厚度0．87～
3．28 m，平均厚2．2 m，全部可采，上距丁 煤層一般
5 m左右，下距戊組煤層一般為85 in左右。采煤方
法主要是走向長壁后退式綜合機械化開采，全部垮
落法管理頂板。
采區(qū)地表為低山丘陵地形，地表平均標高為+
240 m，丁組煤底板等高線為一460一一600 m，煤層
傾角約9。，煤層埋深約600～700 Ill，地表第四系覆
蓋層較薄，大部分基巖直接出露。煤層上覆巖層主
要由中粗砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、煤層等組成，基巖
直接出露，整個覆巖巖性屬于中硬。區(qū)域內斷層較
少，地質構造比較簡單，對灰場下采煤比較有利。
區(qū)域內水文地質條件比較簡單，煤層正常開采
主要充水水源為煤層頂板各類砂巖含水層，消耗其
靜儲量為主，充水通道為采動裂隙及構造破碎帶，頂
板砂巖含水層均屬弱一中等含水層，其充水量有限，
原則上不影響礦井生產(chǎn)。地表水體和基巖風化帶水
不會形成對礦井直接充水影響，但可以成為礦井充
水的間接補給水源。在自然條件下各含水層之間水
力聯(lián)系較弱，含水層內水體以層內逕流為主，大氣降
水為各巖層組補給來源。
1．3 井下開采安全分析
姚孟電廠采用濕排法將粉煤灰輸送至程寨溝儲
灰場，在儲灰場南部地勢低區(qū)域形成了大片積水區(qū)。
86
由于程寨溝灰場及地表水體的存在，地下開采引起
的巖層與地表移動，能使位于開采影響范圍內的地
表水體的水、泥砂潰入井下，威脅煤礦井下安全生
產(chǎn) ]。為此，灰場下采煤應留設足夠的防水安全煤
巖柱，目的是不允許導水裂縫帶波及水體，以免水體
潰人采場造成突水甚至淹井事故。
本礦井防水安全煤巖柱垂高按下式計算 ：
H5h=Hli+日b+ (1)
式中：日。 為防水安全煤巖柱垂高m；H， 為煤層
采后導水裂縫帶高度，m；H 為保護層厚度，取3倍
采厚；珥為基巖風化帶厚度，取50 m。
中硬覆巖條件下綜采導水裂縫帶最大高度選取
計算公式如下 ：
H。；：20．22 +10
√
(2)
式中：M為煤層累計采厚，m；n為煤層開采分
層數(shù)。
灰場下丁組煤累計采厚約4．6 m，按照綜采(放
頂煤)一次采全厚計算，丁組煤開采后導水裂縫帶最
大高度為103 m，水體下開采所需防水安全煤巖柱尺
寸為170 m，工作面頂板上基巖柱最小厚度為660 m，
在保護層上尚有542 l'n巖柱仍保持其相對隔水性，
因此地表水體不會進人井下工作面，在正常條件下，
灰場下丁組煤層保護煤柱內采用綜采開采工藝，不
會改變礦井充水條件，綜采工作面充水仍以煤系頂
板基巖裂隙水為主。因此，在正常地質、采礦條件
下，灰場水體下丁組煤層保護煤柱開采是安全可行
的，儲灰場地表水體不會對工作面產(chǎn)生充水影響，工
作面充水水源主要是頂板砂巖水。
2 地面壩體及水工建筑物安全分析和試驗結果
灰場是一個具有高勢能的人造泥石流危險源，
存在潰壩危險，一旦失事，容易造成重特大事
故H ]。鑒于灰場壩體下采煤技術難度高、安全風
險大，需對開采影響下地面壩體及水工建筑物的安
全性進行評估，以解決灰場壩體下安全開采的現(xiàn)實
問題。
2．1 壩體靜力穩(wěn)定性驗算
按摩爾一庫倫極限平衡條件，不考慮外力，也不
考慮壩體材質的內聚力(作為安全儲備)，壩體的坡
角若小于等于灰層的內摩擦角即可保持平衡，即：
tga≤tg0 (3)
第5期 龐立新：灰場壩體下壓煤開采安全技術分析 2011年l0月
式中：口為壩體邊坡和水平面的夾角； 為壩體
粉煤灰的內摩擦角。
目前灰場壩體背水坡為1：3．7，其邊坡角約為
15．1。；取灰場內粉煤灰作三軸固結不排水剪切試驗
其有效應力強度 值為30。，邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)
為：
K= 4 (4)
灰壩目前抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2．14，大于《選礦
廠尾礦設施設計規(guī)范》(ZBJ1—90)中等別為(三)灰
壩正常運行的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1．2，因此目前壩體
處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會發(fā)生滑坡可能。
2．2 壩體滲透穩(wěn)定性驗算
由于水在壩體中的滲流受到土粒的阻力，浸潤
線產(chǎn)生水力坡降，成為滲透坡降(， )，滲透坡降越
大，對壩體中的土粒的壓力就越大，使土體開始產(chǎn)生
不允許的流土、管涌等變形的滲透坡降成為臨界坡
降(， ．)，滲透穩(wěn)定安全系數(shù)k由下式表示：
K=IL／Is (5)
粉煤灰滲透系數(shù)變動范圍在3 X 10 ～8 X 10
em／s，屬于低透水性。在無反濾層覆蓋情況下，其破
壞比降為0．5～0．6，有黃砂作反濾層時，其破壞比降
約為1．0～1．6，有土工布作反濾層時，其破壞比降約
為1．4—2．0 卜引。目前灰場大壩背水坡以土工布為
反濾層，其臨界坡降取1：2，灰場壩體背水坡度為
1：3．7，滲透穩(wěn)定性系數(shù)：
K=1：2／1：3．7=1．85 (6)
經(jīng)計算，壩體滲透穩(wěn)定性安全系數(shù)為1．85，因此
壩體滲透穩(wěn)定性符合安全標準。
2．3 開采對灰壩及水工構筑物影響分析
2005—2010年，程寨溝灰場下進行了丁組煤層
保護煤柱內的試驗開采，其中主要包括一礦丁 、 一
19190、丁 一19210工作面和四礦丁5 6—32020、
丁 一32040、丁 一32060工作面，灰場及壩體區(qū)域
開采井上下對照如圖3所示。灰場下已開采丁組煤
工作面主要集中在壩體南部區(qū)域，其中丁 一32060
在攔灰壩體正下方進行了開采活動，采厚約2．2 m，
開采時間為2007．5～2008．2，開采丁組煤上分層。
利用概率積分法對灰場壩體區(qū)域開采后移動變
形程度進行預計。經(jīng)計算，灰場內最大下沉約
1670 trim，壩體下沉為80～1450 nlll，壩體橫向傾斜
變形為0～3．8 mm／m，壩體縱向傾斜變形為0～
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圖3 程寨溝灰場壩體區(qū)域開采井上下對照圖
a：下沉
b：傾斜
藝
二=二 一咖一
c：水平變形
圖4 灰壩壩頂?shù)乇硪苿幼冃晤A計結果 ，
4．2 mm／m，壩體橫向水平變形為一1．9～2．4 mm／m，壩
體縱向水平變形為一2．5—0．9 mm／m。灰壩主壩頂界
橫向、縱向移動變形情況如圖4所示。
地表移動變形計算結果揭示，灰壩區(qū)域及附屬
水工構筑物將經(jīng)受Ⅱ級采動影響。受拉伸變形影
響，壩體局部有可能出現(xiàn)拉伸裂縫，由于拉伸變形值
較小，裂縫影響較輕微。受地表傾斜和水平變形影
響，將會對排灰管路產(chǎn)生一定影響，應加強巡視。灰
場排洪、排滲將會受到一定程度采動影響，鑒于其結
構均采用鋼筋砼結構及高強度鋼管排滲，因此不會
對其正常使用造成破壞性影響。
2．4 開采試驗結果
灰場壩體移動變形現(xiàn)場監(jiān)測結果顯示：壩體未
出現(xiàn)明顯的沉陷變形，監(jiān)測最大下沉約260 mm；主
壩頂面出現(xiàn)了橫向裂縫，寬度較小。監(jiān)測顯示開采
未對壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，對個別寬度較大裂縫采
取了灌漿和開挖回填處理。
87
第5期 礦 山 測 量
現(xiàn)場排水系統(tǒng)的勘查和實驗室內水質化驗顯
示，排水水質清澈，未夾帶粉煤灰等雜物，說明灰場
及壩體滲流系統(tǒng)是正常、穩(wěn)定的，開采工作面沒有對
排滲、排洪系統(tǒng)產(chǎn)生破壞性采動影響。據(jù)現(xiàn)場測算，
目前整個排滲系統(tǒng)排水量約200～300 in ／h。
截止2010年，灰場壩體保護煤柱下共采出煤炭
資源約150萬t，極大緩解礦井接續(xù)緊張局面，創(chuàng)造
了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，灰壩下工作面開采
未對壩體靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定造成嚴重影響，壩體
及附屬水工建筑物保持了其正常運行狀態(tài)，實現(xiàn)了
灰場下壓煤安全開采和水工建筑物保護雙重意義。
灰場壩體保護煤柱丁組煤其它工作面的進一步
開采，建議通過分析觀測資料及總結經(jīng)驗，再進行論
證和決策。
3 結 論
(1)在正常地質采礦條件下，儲灰場地表水體下
丁組煤層保護煤柱開采認為是安全可行的，積水區(qū)
不會對工作面產(chǎn)生充水影響，工作面充水水源主要
是頂板砂巖水，但應根據(jù)煤礦防治水相關規(guī)定做好
礦井生產(chǎn)日常防治水工作。
(2)截止2010年，灰壩下工作面開采對壩體及
相關附屬水工建筑物造成Ⅱ級采動影響，分析認為
不會對灰場壩體及附屬水工建筑物產(chǎn)生破壞性影
響，未對壩體靜力穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定造成嚴重影響。
(3)現(xiàn)場監(jiān)測結果表明，灰壩下已采工作面的開
采未對壩體及水工建筑物產(chǎn)生破壞性影響。通過采
(上接第37頁)
正因為ARCGIS軟件在空間數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)管理
方面的優(yōu)勢，所以本人認為ARCGIS軟件的空間數(shù)
據(jù)靈活性將是地理信息主要發(fā)展方向，ARCGIS軟件
中比例可任意縮放，添加圖廓、指北針、圖例、比例尺
即可出圖。
參考文獻：
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術要求[M]．北京：中國大地出版社，2008．
[2] 吳信才．MAPGIS地理信息系統(tǒng)[M]．北京：電子工業(yè)
88
取井下安全開采技術措施和地面建構筑物監(jiān)測、維
修加固結合技術方案，實現(xiàn)了灰場壩體下安全開采，
解放煤炭資源約150萬t，經(jīng)濟效益顯著。
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作者簡介：龐立新(1970一)，男，采礦工程本科學歷，平頂山
天安煤業(yè)股份有限公司總工辦主任工程師，高級工程師，現(xiàn)
為河南理工大學在讀工程碩士。
(收稿日期：20l1—05—30)
出版社，2004：1—90．
[3] 范玉茹等．礦山GIS的數(shù)據(jù)質量控制研究與探討[J]
礦山測量，2008(2)．
作者簡介：東海宇(1982一)，男，甘肅敦煌人，2006年畢業(yè)于
長安大學地球科學與國土資源學院，學士學位，現(xiàn)在甘肅有
色地質勘查局四隊測量公司工作，測繪工程師，一直從事
GPS、GIS、數(shù)字化制圖、數(shù)據(jù)處理、圖形處理工作。
(收稿日期：2011—07—21)

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